Šta je prekomjerna struja?

Prekomjerna struja znači da se od baterije traži da isporuči ili prihvati više struje nego što je napravljena. Tako jednostavno. Ćelija se zagreva, hemija postaje pod stresom i stvari idu u stranu ako niko ne uđe.

Ovaj problem stalno vidim u povratima na teren. Pakovanja se vraćaju sa izgorjelim tragovima, otopljenim pločicama, ćelijama koje izgledaju dobro spolja, ali mjere mrtve iznutra. Devet od deset puta, neko je povukao previše struje ili je zaštita otkazala.

Litijumske ćelije imaju stroga ograničenja. Ćelija ocijenjena za 10A kontinuirano će podnijeti 10A cijeli dan na sobnoj temperaturi. Gurnite ga na 15A i unutrašnja temperatura raste. Gurnite ga na 30A i imat ćete možda nekoliko sekundi prije nego što nešto da.

Generisanje toplote u litijumskoj ćeliji prati I²R. Unutrašnji otpor na tipičnom 18650 je oko 15-30mΩ u zavisnosti od ćelije i njene starosti. Pokrenite brojeve na ćeliji od 25 mΩ.

Na 10A: 10² × 0.025=2.5W Kod 20A: 20² × 0.025=10W Na 40A: 40² × 0.025=40W

Tih 40W nema gdje ući u čeličnu limenku. Temperatura ćelije raste. Elektrolit počinje da se razgrađuje oko 80 stepeni. Iznad 130 stepeni, separator može pokvariti. Nakon toga, termički bijeg postaje realna mogućnost.

Prekomjerna struja punjenja prati istu fiziku, ali s dodatnim problemom. Lithium plating. Potisnite previsoku struju punjenja i litij metal se taloži na površini anode umjesto da se pravilno interkalira. Ta obloga je trajni gubitak kapaciteta. To također stvara rizik od formiranja dendrita.

Overcurrent

Eksterni šorcdešavaju više nego što proizvođači žele da priznaju. Labav šraf u kućištu. Oštećena žica koja trlja o okvir. Ulazak vode stvara provodni put. Radio sam na opozivu gdje je konektor paketa imao grešku u dizajnu koja je omogućila da pozitivni pin kontaktira uzemljenje kućišta tokom umetanja. Hiljade čopora otišlo je prije nego što ga je iko uhvatio.

Greške opterećenjastalno se pojavljuju u aplikacijama električnih alata. Brušeni motori staju na 6-8x radnoj struji. Bez četkica sa FOC kontrolom bolje se nosi sa zastojima, ali i dalje snažno trlja. Baterija vidi taj skok bez obzira da li kontroler motora radi išta po tom pitanju ili ne.

Problemi sa punjačemimaju tendenciju da budu suptilni. Punjač dizajniran za 4S paket priključen na 3S paket. Ograničenja napona mogu i dalje raditi, ali trenutni profil je pogrešan. Ili se vod čula punjača pokvari i punjač samo gura punu struju dok se nešto ne otkači.

Nepodudaranje ćelijau serijskim pakovanjima je podmukao. Četiri ćelije u seriji, tri od njih 3000mAh, jedna od njih zapravo 2700mAh jer je ležala u toplom skladištu šest mjeseci. Ta slaba ćelija se prva napuni do kraja. Ostala trojica nastavljaju da guraju. Ta slaba ćelija se prepunjava, stvara plin, zagrijava se i sada imate lokalno stanje prekomjerne struje koje se događa unutar jedne ćelije dok napon paketa izgleda dobro.

Neposredna posljedica je vrućina. Trajna prekomjerna struja pri 2x ocjeni će gurnuti većinu ćelija preko 60 stepeni u roku od nekoliko minuta. Ćelija preživi, vjerovatno, ali život ciklusa je pogođen.

Ponavljani događaji prekomerne struje stvaraju kumulativnu štetu. SEI sloj na anodi se deblja. Unutrašnji otpor raste. Kapacitet bledi. Ćelija koja je počela sa 3000mAh i 20mΩ mogla bi biti 2400mAh i 35mΩ nakon 200 ciklusa zloupotrebe. Pod pravilnom upotrebom napravio bi 800 ciklusa.

Ozbiljni -uslovi kratkog spoja-mogu prekinuti ćeliju za nekoliko sekundi. Struja dostiže vrhunac bez obzira na što je ograniči unutrašnji otpor ćelije. Potpuno napunjen high-odvod 18650 u tvrdi kratki spoj može vidjeti trenutnu struju od 200-300A. Zavareni spojevi često su prva tačka kvara. Ako se jezičci drže, žele rolna se zagrijava tako brzo da odzračivanje slijedi u roku od nekoliko sekundi.

Vidio sam ćelije koje su tako snažno ventilirale pozitivnu kapicu koja je lansirana širom laboratorije. Zaštitne naočare nisu opcione kada se testira odziv na kratki spoj.

Overcurrent

Dobar dizajn pakovanja koristi više mehanizama zaštite. Nijedan uređaj ne obrađuje svaki način kvara.

PTCsjedi unutar većine cilindričnih ćelija renomiranih proizvođača. Isključuju se na osnovu temperature, a ne struje direktno. PTC može biti ocijenjen da drži 7A i isključuje se na 15A, ali mehanizam okidanja je termički. Vrijeme odgovora je sporo-od stotina milisekundi do sekundi. PTC vas neće spasiti od teškog kratkog spoja. Podnose umjerenu prekomjernu struju i daju pakovanju vremena da se ohladi.

Osiguračiduni jednom i ostani duvan. Osigurači -na nivou pakovanja su veličine iznad normalne radne struje sa marginom za udarne i prelazne pojave. Kontinuirano pakovanje od 10 A može koristiti 15 A brzo-osigurač. Osigurač čisti kratki spoj brže od PTC-a, obično ispod 100 ms pri visokim strujama kvara. Ali to također trajno ubija čopor. Slijede zahtjevi za garanciju.

Zaštitne IC-ovepratiti struju kroz senzorski otpornik. Uobičajeni delovi od Seiko, TI i drugih obezbeđuju pragove prekomerne struje koji se mogu programirati preko eksternih otpornika ili tvrdo kodirani interno. Kašnjenja detekcije obično traju 8-24 ms. Detekcija kratkog spoja je brža, često ispod 500µs. IC pokreće eksterne FET-ove da odvoji paket.

Vrijednost senzorskog otpornika je bitna. Otpornik za senzor od 5 mΩ daje bolju rezoluciju, ali snižava više napona i rasipa više snage pri velikim strujama. Otpornik od 2mΩ troši manje energije, ali mu je potreban osjetljiviji prednji kraj. Većina potrošačkih paketa koristi 3-10mΩ ovisno o trenutnoj klasi.

BMSu većim pakiranjima dodaje inteligenciju. Aktivno ograničenje struje, a ne samo isključenje/bez{1}}okidanja. Pragovi{3}}kompenzirani temperaturom. Evidentiranje događaja za dijagnostiku. Dobar BMS smanjuje ograničenja prekomjerne struje kako temperatura ćelije raste, zadržavajući ćelije u njihovom sigurnom radnom prozoru čak i pod dinamičkim opterećenjima.

CID-oviunutrašnje ćelije pružaju-poslednju mehaničku zaštitu. Trenutni prekidni uređaj se aktivira pri povećanju unutrašnjeg pritiska. U vrijeme kada se CID aktivira, ćelija je već iskusila značajan stres. CID aktivacija obično znači da je ćelija otpad.

Ocjene listova s podacima pretpostavljaju specifične uslove. Samsung 30Q ocenjen za 15A kontinuirano pretpostavlja 25 stepeni ambijenta i adekvatno hlađenje. Stavite tu ćeliju u izolovano kućište na 35 stepeni okoline i 15A će je potisnuti iznad bezbednih temperatura.

Pulsne ocjene izgledaju atraktivno, ali dolaze s priloženim žicama. Ćelija može zahtevati 30A tokom 10 sekundi, ali to pretpostavlja da je ćelija počela na 25 stepeni i da ima vremena da se ohladi pre sledećeg impulsa. Povratni-na-povratni impulsi bez vremena oporavka akumuliraju toplinu baš kao kontinuirana struja.

Stope punjenja su često konzervativnije od stopa pražnjenja. Ćelija koja upravlja pražnjenjem od 20 A može tolerirati samo punjenje od 4 A. Rizik od litijumske prevlake je razlog. Neke novije ćelije sa silicijum{5}}dopiranim anodama su još osjetljivije na brzinu punjenja.

Starost ćelije menja sve. Nova ćelija sa unutrašnjim otporom od 20mΩ podnosi 20A bolje nego godinu dana -ćelija stara na 30mΩ. Zaštita paketa bi trebala uzeti u obzir otpornost na kraj-životnog-života, a ne samo nove specifikacije ćelija.

Svaki dizajn paketa zahteva validaciju prekomerne struje. Oprema za testiranje je bitna.

Elektronska opterećenja treba da potope struju brže nego što zaštita reagira. Zaštitni IC sa kašnjenjem detekcije od 10 ms treba opterećenje koje dostiže ciljnu struju za manje od 1 ms. Sporo povećanje opterećenja-dopušta zaštiti da se aktivira ranije i daje lažno povjerenje.

Trenutno mjerenje treba širinu pojasa. Otpornik za senzor od 10mΩ na 100A daje signal od 1V. Za snimanje stvarnog vrha potreban je propusni opseg od najmanje 10 kHz, po mogućnosti više. Sonde opsežnika sa odgovarajućim uzemljenjem izbegavaju probleme sa bukom koji daju podatke o smeću.

Temperaturno testiranje otkriva probleme dizajna koje ispitivanje sobne temperature propušta. Pragovi zaštite IC se pomjeraju s temperaturom. FET Rds(on) se povećava na visokoj temperaturi, dodajući pad napona. TCR senzora otpornika je bitan kada se otpornik zagrije zbog prolaska struje kvara. Testirajte na -20 stepeni, +25 stepeni i +55 stepeni minimum.

Test matrica postaje velika. Prekomjerna struja punjenja, prekomjerna struja pražnjenja, kratki spoj. Svaki na tri temperature. Svaki na više nivoa SOC jer impedansa ćelije varira sa stanjem napunjenosti. Pomnožite veličinom uzorka za statističku pouzdanost. Temeljna validacija pokreće stotine testova.

Overcurrent

UL 2054pokriva prijenosne baterije za tržišta Sjeverne Amerike. Testiranje kratkog spoja primjenjuje kratki spoj u trajanju od 10 sekundi. Pakovanje se ne smije zapaliti ili eksplodirati. Temperatura se prati, ali se ne proziva određena granica. Ovo je minimalna traka.

IEC 62133-2primjenjuje na međunarodnom nivou. Eksterno testiranje kratkog spoja koristi manje od 100 mΩ ukupnog otpora kola koji se održava jedan sat ili dok se temperatura ne stabilizuje. Strožiji od UL 2054 u trajanju.

UN 38.3reguliše transport. Test 5 zahtijeva kratki spoj manji od 0,1Ω. Ćelije ili baterije ne smiju se rastavljati ili zapaliti. Ovo je važno jer nepoštovanje UN 38.3 znači da se vaš proizvod ne može legalno transportovati.

SAE J2464pokriva EV aplikacije sa strožim zahtjevima. Otpor kratkog spoja pada na 5mΩ i termički/mehanički kriteriji su specifičniji.

Polaganje ovih testova ne znači da je dizajn zaštite dobar. To znači da je dizajn zaštite adekvatan za sertifikaciju. Zloupotreba u stvarnom-svijetu može premašiti uslove testiranja.

Merač žice se stalno pojavljuje. Manja žica dodaje otpornost i stvara toplinu na spojevima. Sama žica može podnijeti struju, ali uvijeni terminali ili lemni spojevi postaju vruće tačke. Paketi vraćeni zbog "kvara baterije" često pokazuju izgorjeli žičani terminali dok su ćelije u redu.

Izbor konektora je još jedna slaba tačka. XT60 konektori su predviđeni za 60A kontinuirano, navodno. Ta ocjena pretpostavlja savršene nabore i čiste kontakte. U praksi, smanjeno za 30-40% zbog pouzdanosti. Anderson Powerpoles ima slična razmišljanja.

Zavarivanje jezičaka na ćelijama zahteva pažnju. Dobar zavar ima nisku otpornost i mehaničku čvrstoću. Hladni zavar izgleda dobro, ali ne uspijeva pod utjecajem vibracija ili termičkih ciklusa. Izgorjeli zavar je oštetio konzervu i stvorio slabu tačku. Rasporedi zavarivanja zahtevaju validaciju sa ispitivanjem na povlačenje i merenjem otpora.

Upravljanje toplotom je povezano sa prekostrujnom sposobnošću. Pakovanje sa aktivnim hlađenjem može izdržati veće struje od zatvorenog pakovanja bez protoka vazduha. Neki dizajni koriste termistore na ćelijama kako bi pokrenuli smanjenje struje prije nego što temperatura postane kritična.

Prekomjerna struja ubija litijumske baterije. Ponekad brzo, ponekad sporo, ali uvijek štetno. Trenutna ograničenja postoje iz razloga vezanih za fiziku i hemiju, a ne iz proizvoljnog konzervativizma.

Dobra zaštita zahtijeva više slojeva jer svaki tip zaštite ima slabosti. PTC su spori. Osigurači su jedan-metal. IC zavise od tačnosti čula. BMS povećava troškove i složenost. CID znače da je ćelija već oštećena.

Testiranje treba da odražava stvarne uslove upotrebe i scenarije zloupotrebe. Polaganje certifikacijskih testova je neophodno, ali nije dovoljno.

Izbor dizajna pakovanja-žica, konektora, termičkih elemenata, margina-određuje da li zaštita zaista štiti ili samo izgleda dobro na papiru.

Ćelije u koje vjerujem dolaze od proizvođača s dosljednim kvalitetom i objavljenim podacima. Paketi kojima vjerujem koriste zaštitna kola od renomiranih proizvođača s odgovarajućim dizajnom aplikacije. Sve ostalo se tretira s oprezom dok se ne dokaže suprotno.